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掃描電鏡在3D打印行業(yè)中的應(yīng)用

來(lái)源:復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司   2017年12月15日 13:04  

3D打印,即增材制造(Additive Manufacturing,AM),指用于制作3D打印項(xiàng)目的過(guò)程。為了達(dá)到這個(gè)目的,在計(jì)算機(jī)控制下,逐層形成一個(gè)物體。這些物體幾乎可以是任何形狀,并使用3D模型或其他電子數(shù)據(jù)來(lái)源產(chǎn)生。但是,在計(jì)算機(jī)控制下逐層打印可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)中斷,從而對(duì)打印物體的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。這些不良的干擾不應(yīng)不被察覺(jué);稍后會(huì)在這篇博客中討論一些問(wèn)題。首先,讓我們一起探討3D打印。

 

3D打?。?DP)即快速成型技術(shù)的一種,它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

 

日常生活中使用的普通打印機(jī)可以打印電腦設(shè)計(jì)的平面物品,而所謂的3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同,只是打印材料有些不同,普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張,而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”,是實(shí)實(shí)在在的原材料,打印機(jī)與電腦連接后,通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái),zui終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

 

通俗地說(shuō),3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備,比如打印一個(gè)機(jī)器人、打印玩具車(chē),打印各種模型,甚至是食物等等。之所以通俗地稱(chēng)其為“打印機(jī)”是參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理,因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^(guò)程與噴墨打印十分相似。這項(xiàng)打印技術(shù)稱(chēng)為3D立體打印技術(shù)。

 

3D打印——車(chē)模

 

3D打印——食物

 

3D打印技術(shù)名稱(chēng)隨著技術(shù)的進(jìn)化層出不窮:光聚合(VAT Photopolymerization),粉末床融化(PBF Powder Bed Fusion), 粘結(jié)劑噴射(Binder Jetting), 材料噴射(Material Jetting), 層壓(Sheet Lamination), 材料擠出(Material Extrusion),直接能量沉積(DED Directed Energy Deposition ), 混合增材制造HYBRID。

 

用于金屬粉末燒結(jié)的增材制造

 

粉末冶金 (PM) 是通用術(shù)語(yǔ),指采用高溫高壓技術(shù)使粉末顆粒熔結(jié)在一起,從而將金屬粉末固結(jié)為固體部件;這一過(guò)程也稱(chēng)為加壓燒結(jié)。增材制造技術(shù)也使用金屬粉末作為進(jìn)料,但它不是使用高溫高壓技術(shù)在模具中將粉末顆粒熔結(jié)在一起。金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)是基于金屬粉末的激光選區(qū)燒結(jié)增材制造技術(shù)和相關(guān)工藝,屬于3D打印技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。增材制造方法用于燒結(jié)廣泛的金屬粉末,例如輕合金、鈦合金、鋼合金以及高分子材料(如聚酰胺)或陶瓷和復(fù)合材料。

 

直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)是通過(guò)使用高能量的激光束再由3D模型數(shù)據(jù)控制來(lái)局部熔化金屬基體,同時(shí)燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動(dòng)地層層堆疊,以生成致密的幾何形狀的實(shí)體零件。這種零件制造工藝被稱(chēng)為“直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(Direct Metal Laser-Sintering)”,是用于生產(chǎn)復(fù)雜形狀的技術(shù)。

 

通過(guò)選用不同的燒結(jié)材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù),可以生成性能差異變化很大的零件,從具有多孔性的透氣鋼,到耐腐蝕的不銹鋼再到組織致密的模具鋼(強(qiáng)度優(yōu)于鑄造或鍛造)。

 

3D打印和掃描電鏡

 

2016年,Walczak等人(Applied Computer Science, vol. 12, no.3, pp 29-36)通過(guò)3D打印方法,對(duì)17 – 4PH鋼制品的特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,掃描電鏡分析顯示激光燒結(jié)后的焊接表面的結(jié)構(gòu)中存在缺陷,這種現(xiàn)象是不合需要的,降低了打印物品的質(zhì)量。

 

圖1:SEM圖像中的微型兔(低倍下無(wú)缺陷顯示)

 

圖2:在較高的放大倍數(shù)下微型像,顯示了表面結(jié)構(gòu)的缺陷

 

因此,掃描電鏡是檢測(cè)3D打印物品表面缺陷的有效工具。

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